直流电机阎治安

直流电机阎治安目前一页\总数三十一页\编于十五点2二、直流电动机的起动方法

1.电枢回路串电阻启动

最初起动电流：Ist=U/(Ra+Rst

)最初起动转矩：Tst=CT

ΦIst

为了在限定的电流Ist下获得较大的启动转矩Tst，应该使磁通Φ尽可能大些，因此启动时串联在励磁回路的电阻应全部切除。有了一定的转速n后，电势Ea不再为0，电流

Ist会逐步减小，转矩Tst也会逐步减小。为了在启动过程中始终保持足够大的启动转矩，一般将起动器设计为多级，随着转速n的增大，串在电枢回路的启动电阻Rst逐级切除，进入稳态后全部切除。启动电阻Rst一般设计为短时运行方式。目前二页\总数三十一页\编于十五点32.他励电动机降压起动

对他励电动机，可采用专门设备降低电枢回路的电压以减小启动电流。串励与复励电动机起动方法基本上与并励电动机相同，即采用电枢回路串电阻的方法减小启动电流。串励电动机绝对不允许空载启动。（下）串电阻启动设备简单，投资小，但启动电阻上要消耗能量；电枢降压启动设备投资较大，但起动过程节能。目前三页\总数三十一页\编于十五点44-2他励直流电动机工作特性

工作特性定义：U=UN，If=IfN，电枢回路不串电阻的情况下，负载P2变化时，电机的转速n、转矩T、效率η分别随输出功率

P2变化的关系曲线。

一、转速特性n=f(P2)

影响转速n

的因素有二：（1）电流Ia增大时电枢电阻压将IaRa也增大，使转速趋于下降；（2）电流增大时，电枢反应的去磁作用使得磁通Φ下降，使转速趋于上升。

目前四页\总数三十一页\编于十五点5一般电阻压降的影响较大，所以随着电流的增大，电动机转速降低。由于电阻Ra的值很小，所以转速下降比较平缓。电流增大，电压恒定时意味着P2增大，所以n=f(P2)是一条较平的下降曲线（硬特性）。

二、转矩特性T=f(P2)他励直流电动机在负载变化时，转速变化很小，可以近似认为T0=常数。

目前五页\总数三十一页\编于十五点6如果不考虑转速的变化，则T=f(P2)为一条直线，考虑到转速略有下降，所以T=f(P2)为一条略微上翘的曲线。

三、效率特性

η=f(P2)

可以根据本教材小节介绍的方法计算。

目前六页\总数三十一页\编于十五点74-3

他励直流电动机机械特性

机械特性定义：n=f(T)是指U=UN，If=IfN时，改变负载的过程中，转速n随电磁转矩T变化的函数关系。

一、机械特性方程式

n=f(T)

用电枢回路总电阻考虑电刷接触压降。

n0L=U/(CeΦ)为理想空载转速，β=(Ra+Rp)/(CeCTΦ2)为斜率。

目前七页\总数三十一页\编于十五点8二、固有机械特性n=f(T)

U=UN,Φ=ΦN,Rp=0

时的机械特性称为固有机械特性。其方程为

由于Ra很小，转矩T增大时，n下降很小，他励电动机的固有机械特性是一条比较平的下降曲线。（即属硬特性）

三、人为（人工）机械特性n=f(T)改变三个量U、Φ、Rp之一而其他量不变时可以得到人为机械特性。

（1）电枢回路串电阻时的人为机械特性

对应于不同的Rp可以得到一簇斜率不同的曲线。

目前八页\总数三十一页\编于十五点9（2）改变电枢电压(U<UN)的人为机械特性

斜率不变，理想空载转速

n0不同的一簇平行线。（3）减少电动机气隙磁通的人为机械特性

Φ减少时，n0L增大同时β增大。

目前九页\总数三十一页\编于十五点104-4

串励直流电动机的机械特性

串励电动机的励磁绕组与电枢绕组串联，所以Ra是电枢绕组与串励绕组电阻之和且串励电流I=Ia，故

令Φ=

KI

,

可得T=CTΦIa=CTKIa2,

电压不变时，n与成反比当负载转矩增大时，转速n下降很快(软特性)

。上述结论是在负载较小、电流较小电机不饱和的情况下得出的。

目前十页\总数三十一页\编于十五点11当电流增加到一定程度时，磁路饱和，变化甚微，n=f(T)

变成斜率不大（特性变硬）的曲线。当负载转矩很小时，T也很小，n

会达到危险的高值，所以串励电动机不允许空载启动和运行。

同样大的起动电流时，串励电动机能产生更大的启动转矩，常用于启动较为困难的场合。

串励电动机的输出功率变化不大，即该电机过载能力较强。

对于并励电动机

对于串励电动机

基本不变。目前十一页\总数三十一页\编于十五点124-5

复励直流电动机的机械特性

复励直流电动机既有并励绕组又有串励绕组。其机械特性介于并励和串励电动机之间。如果并励绕组起主导作用，则特性接近并励电动机。如果串励绕组起主导作用，则接近串励电动机。复励电动机空载时，由于有并励绕组接通，所以空载转速不会太高。目前十二页\总数三十一页\编于十五点134-6

负载的机械特性

电动机拖动生产机械运转，构成一个电力拖动系统，其工作状况不仅取决于电动机的特性，同时也取决于作为负载的生产机械的特性。生产机械的负载转矩与转速之间的关系称为负载的机械特性。由负载性质决定。一、恒转矩负载

(1)反抗性恒转矩负载:

(负载转矩的大小为常量，与转速无关)

转矩方向总是与转速方向相反，永远是阻转矩。

(2)势能性恒转矩负载：转矩方向不随转速方向改变。如重力型负载。

二、泵类负载

转矩的大小与转速平方成正比。例如：泵，风机等三、恒功率负载

负载转矩基本上与转速反比。例如：车床进刀。功率基本不变。目前十三页\总数三十一页\编于十五点144-7

电动机稳定运行的条件

最简单的电力拖动系统就是电动机与直接拖动生产机械负载。二、分析

当电动机拖动系统理想稳定时，则电动机的机械特性与负载的机械特性的交点处转速将不变。但若遇到某种偶然因素使转速变化：

1、直流电动机的机械特性曲线下降时；2、直流电动机的机械特性曲线上翘时。三、稳定运行的条件:

dTc/dn>

dT/dn；若不稳定运行则

一、判断稳定的原则是：

1、直流电动机的机械特性（(1)下降曲线时可稳定运行；(2)上翘曲线时则不稳定运行！用下图分析）

2、机械负载的机械特性（恒转矩或变转矩负载？）目前十四页\总数三十一页\编于十五点154-8

直流电动机调速方法

对应于三种人为机械特性，他励直流电动机的调速方法有三种:

（1）改变电枢电压U；

（2）改变励磁电流即改变磁通Φ；

（3）电枢串入电阻Rtj。一、改变电枢电压调速（适用于他励式）

如图设TL不变，其物理过程…。优点：调速后，转速稳定性不变、无级、平滑、损耗小。便于计算机控制。

缺点：需要专门设备，成本较高。（可控硅调压调速系统）

目前十五页\总数三十一页\编于十五点16三、改变励磁电流调速（调节励磁电阻）

减少励磁电流时，电动机机械特性的斜率增大。如图设TL不变，其物理过程…。优点：励磁回路电流小约为(1~3)%IN,损耗小，连续调速，易控制。

缺点：只能上调，最高转速受机械强度的限制，负载转矩大时调速范围小。

二、在电枢回路外串调节电阻调速

调节电阻Rp达到调速目的。如图设TL、

Φ不变，其物理过程…。优点：设备简单、操作方便。

缺点：只能降速，低速时变化率较大，电枢电流较大，有损耗。目前十六页\总数三十一页\编于十五点17四、改变电动机转向的方法

要改变电动机转向，就必须改变电磁转矩的方向。

T=CT

Φ

Ia根据电动机的工作原理，单独改变磁场极性（即通过改变励磁绕组连接）或者单独改变电枢电流的方向，均可以改变电磁转矩的方向。故改变转向的方法：（1）对于并励电动机，单独将励磁绕组引出端接线对调；（2）单独将电枢绕组引出端接线对调。对于复励电动机，应将电枢引出端对调或者同时将并励绕组和串励绕组引出段分别对调（维持加复励状态）。目前十七页\总数三十一页\编于十五点184-9

直流电动机的制动

(Retardation)

制动问题：在生产过程中，经常需要采取一些措施使电动机尽快停转，或者从某高速降到某低速运转，或者限制位能性负载在某一转速下稳定运转，这就是电动机的制动问题。

实现制动有两种方法，机械制动和电磁制动。

电磁制动是使电机在制动时使电机产生与其旋转方向相反的电磁转矩,其特点是制动转矩大,操作控制方便。直流电动机的电磁制动类型有能耗制动、反接制动和回馈制动。一、能耗制动（1）能耗制动过程B-O

电机：直流电动机；

负载：反抗性恒转矩负载

目前十八页\总数三十一页\编于十五点19制动时电机处于发电状态，转子动能转化为电能消耗在制动电阻上。所以称为能耗制动。

制动电阻越小，制动开始时产生的制动转矩就越大。

高速时能耗制动作用较大，低速时应配合机械制动装置使系统停掉。

（2）能耗制动运行O-C

负载：势能性恒转矩负载

目前十九页\总数三十一页\编于十五点20采用能耗制动时，工作点从A→B→O,B→O是能耗制动过程，到了O点后，如不采取其他制动措施，则系统会在负载转矩的作用下反转，工作点沿着能耗制动曲线到达C后才稳定运行。在C点，电磁转矩为负，与转速方向相反是制动转矩。在C点的运行方式称为能耗制动运行。

二、反接制动

他励电动机拖动反抗性恒转矩负载运行。通过反接闸刀把电源突然反接，同时在电枢支路串入限流电阻R3。

目前二十页\总数三十一页\编于十五点21如图所示，工作点A→B→C，在C点时，n=0。这时应将电源切掉。在B→C的过程中转速为正，电磁转矩为负，起制动作用。如果在C点时，电动机的转矩大于负载转矩(绝对值)而没有切除电源，则电动机在电磁转矩作用下将反向起动，作为反转的电动机运行。如图中的D点。对于频繁正反转的电力拖动系统，常采用这种先反接制动停车，再反向起动的运行方式，达到迅速制动并反转的目的。对于要求准确停车的系统，采用能耗制动较为方便。电枢电流式为：(2)电势反接制动（倒拉反转运行）

目前二十一页\总数三十一页\编于十五点22

他励电动机拖动位能性恒转矩负载运行。电枢支路突然串入较大的电阻，则工作点A→B→C→D，D点位于第iv象限，转速为负，电磁转矩为正，属于制动运行。在C点后，负载转矩大于电磁转矩，转速反向，感应电势也反向，所以称为电势反接制动。这种运行方式通常用在起重设备低速下放物体的场合。三、回馈制动

(1)正向回馈制动

直流电动机通过降低电压减速时，会使得工作点经过第II象限，如图中的BC段，转速为正而电磁转矩为负，电动机运行于制动状态。电压下降，使得Ea

>U

,电流方向改变，电能回馈到电源。在电车下坡时，由于重力作用使得电动机转速高于原来的空载转速，Ea增大，Ea

>U,即超过U以后，电流反向，进入正向回馈制动状态。当电车下坡的位能等于电车供给电网的电能（加损耗）时n=c

。目前二十二页\总数三十一页\编于十五点23(2)反向回馈制动

他励电动机拖动势能性恒转矩负载运行。反接电源电压并给电枢支路串入限流电阻。工作点将会稳定在第iv象限。在D点，电动机的转速高于理想空载转速，Ea>U，电流流向电源，属于反向回馈制动。反向回馈制动常用于高速下放重物时限制电机转速。本章作业：p65题4--2，3，4，5，6，7目前二十三页\总数三十一页\编于十五点244-10

直流电机的换向

旋转着的电枢某元件(线圈)从一个支路转换到另外一个支路时元件中电流变化的过渡过程称为换向过程。一、换向过程分析

电刷是支路的分界线。换向刚开始时，元件仍属于右边支路，其电流为+ia（右→左）；处于换向过程时，元件被电刷短路，电流大小和方向处于变化的过程中；换向结束时，元件进入左边支路，其电流已经变为-ia（左→右）。目前二十四页\总数三十一页\编于十五点25一个元件换向过程所需的时间就称为换向周期Th，即一个换向片通过电刷所用的时间。即电流从+ia变到-ia所用的时间即为一个换向周期

Th=0.0005～0.002秒换向问题十分复杂，换向不良会在电刷与换向片之间产生火化。当火花大到一定程度时可能损坏电机。产生火花的原因除电磁原因外，还有电化学、电热等因素，至今尚无很成熟的理论。目前二十五页\总数三十一页\编于十五点26二、换向元件中的电势

1．电抗电势

ex

一般，换向周期非常短暂，电流的变化会在绕组元件中产生自感和互感电势，两者的合成电势称为电抗电势，用ex表示。

电抗电势的性质总是阻碍线圈中电流的变化，亦即ex的方向（据楞次定律）必然力图与换向前的电流方向相同。或者说电抗电势是阻碍换向的。

电抗电势大小反比于换向周期：

2．切割电势ea

换向元件切割电枢反应磁场，从而产生的切割电势。其性质也是阻碍换向的，即力图与换向前的电流方向相同。其大小为:

ea=2WyBalva目前二十六页\总数三十一页\编于十五点273．换向极电势ek换向元件切割换向极磁场，产生的切割电势。其性质也是帮助换向的，即力图与换向后的电流方向相同。+

.ek的方向Nn(发电机)换向极4、三种换向情况曲线1——直线换向；曲线2——延迟换向；曲线3——加速换向；Th－t01Thti+

ia－

ia23t延迟换向时经换向片1的电流密度为：将使后刷边的火花大。延迟换向时经换向片2的电流密度为：*#若加速换向则使前刷边的火花大。目前二十七页\总数三十一页\编于十五点28三、影响换向的因素

电磁因